陆庆专访：芯片电感的技术革命
陆庆专访：芯片电感的技术革命
随着人工智能技术的飞速发展，数据中心的高功率计算需求给芯片电感带来了哪些前所未有的挑战与机遇呢？
面对人工智能技术的飞速发展，数据中心的高功率计算需求给芯片电感带来了哪些前所未有的挑战与机遇呢？
随着人工智能技术的持续进步和应用领域的不断拓展，数据中心正面临着前所未有的挑战，特别是在高功率计算需求方面显得尤为突出。这一趋势不仅加速了数据中心基础设施的升级步伐，也极大地推动了市场对高性能芯片电感需求的激增。
Big-Bit电子变压器与电感网有幸在第11届功率变换器磁性元器件联合学术年会上，对中国电源学会磁技术专业委员会委员陆庆进行了深度专访。
磁技术专业委员会委员：陆庆
专访中，陆庆先生凭二十余年磁性材料领域经验，就市场对芯片电感的技术需求及未来趋势等热点，与记者深入交流，展现了对软磁材料、芯片电感及其应用的深刻见解。
从组装式到一体式：专注高性能芯片电感
Q：您什么时候开始涉足芯片电感领域？
陆庆：芯片电感主要分为组装式电感与一体式电感两种类型。以往的工作经历中，我比较关注组装式电感。然而，鉴于未来电感自动化生产的发展趋势，2022年我便开始专注于一体式电感。
需要明确的是，我们目前所讨论的芯片电感与服务器主板上常见的一体成型电感并不完全相同。电感产品存在多种类型与档次划分，例如，目前在商用领域，二级与三级一体电感的应用较为广泛。特别是在48V转12V和12V转1V的电源转换过程中，电感发挥着至关重要的作用。
此外，在服务器电源以及CPU和GPU的供电系统中，也大量使用了电感，这些电感有时被称作芯片电感。
具体来说，芯片电感又可分为为CPU供电和为GPU供电两类。目前，为CPU供电的电感要求相对较低，价格在0.2美元以下。
然而，我们现在所讨论的高性能芯片电感，与人工智能算力紧密相关。在高性能芯片电感领域，英伟达、AMD、谷歌等公司正在积极投入，我国在GPU研发方面则相对薄弱，主要是华为在致力于相关芯片的研发。在这些高性能芯片中，电压已经降至1V以下，而功率却在不断增大，因此急需一种能承受大电流且体积小巧的电感，这正是我们目前研发高性能芯片电感的目的所在。
两种发展方向：分离式设计与模组化趋势
Q：从产品最终形态去看，高性能芯片电感是否会与CPU或GPU集成在一起，还是仍然保持独立的一体电感形态？
陆庆：目前芯片电感领域存在两种发展方向。英伟达采用的是分离式设计，即在GPU旁边单独配置电感。而另一种思路是，随着垂直供电技术的发展，电感未来的发展趋势将是模组化，两个方向我们都在关注。
具体来说，就是在电感上GND和Vin以及相关信号引脚，并集成CMOS等元件，使电源模块实现小型化，从而使电感从无源变为带有有源功能，并更加靠近CPU、GPU芯片以降低损耗提升效率。目前，一些芯片厂商如MPS、瑞萨等也在研究这个方向。
这种设计可以显著减小电感体积，但研发与制作成本较高，每颗芯片电感的价格至少在1美元以上，甚至可能高达4-5美元。不过，随着技术的不断发展，单颗芯片电感的成本有望逐渐降低。
金属磁粉芯：未来主流材料选择
Q：按照这一发展趋势，什么类型的磁性材料会成为高性能芯片电感领域的主流选择？
陆庆：以目前英伟达为代表的领先技术来看，因为铁氧体材料受Bs限制，电流越大就很容易饱和，没办法满足芯片电感的需求。而非晶纳米晶材料在提高磁导率方面也存在挑战，同样满足不了芯片电感的需求。
考虑到AI算力领域电源厚度不断变薄，金属磁粉芯在这方面具有优势，实现更高的磁导率，因此未来芯片电感很可能以金属磁粉芯为主要发展方向。
小型化趋势：尺寸与性能的双重挑战
Q：电源、电感都在追求小型化，高性能芯片电感的尺寸是多少？
陆庆：关于芯片电感的尺寸，目前可以达到毫米级别，例如546毫米的尺寸，未来芯片电感的厚度还可能进一步减小到2毫米以下，甚至更薄。
Q：对于芯片电感而言，主要关注哪些参数呢？
陆庆：最重要的是在相同的饱和电流和参数条件下，能否将电感的体积做得更小。
我国在一体成型芯片电感领域的发展主要采用两种制造工艺：热压成型和铜铁共烧。三钛科技和铂科新材的铜铁共烧技术在全球范围是技术一流，规模也在行业领先，东磁、天通等多家磁性材料企业都在进行这方面的研发，但真正能够大规模量产芯片电感，月产能有KK级别的企业很少。
此外，热压成型技术也是国内的一个研究热点，其中乾坤科技在纳米晶热压成型领域处于世界领先地位。这两种技术路线各有优缺点，因此目前大厂通常会同时使用这两种生产工艺的芯片电感。
技术难点与未来展望
Q：高性能芯片电感目前存在的技术难点有哪些？
陆庆：在材料领域，针对芯片电感的需求，我们精心设计与研发线材的形状，随后交由专业的线材制造商进行加工处理。至于磁芯，则构成了我们研发工作的核心焦点。
随着技术向高频化迈进，当前电感的频率已攀升至MHz量级，这对所用材料提出了更为严苛的要求。未来的磁性材料研究，将着重于如何在材料层面实现更精细的调控，以有效减少涡流损耗并提升磁导率。
金属磁粉芯在过去二十年里实现了飞跃式的发展，其损耗持续降低，已逐渐逼近铁氧体材料的损耗标准。10年前，金属磁粉芯应用于MHz级别场景的想法还显得遥不可及。而今，行业正经历着深刻的转型，金属磁粉芯的未来发展前景极为广阔。
另一方面，随着电感产品厚度的不断减小，工艺方面的挑战日益凸显。
电感产品尺寸的缩小使得成型过程中的良率控制变得更为困难，烧结阶段也更容易产生次品。如何高效且准确地检测这些微小的电感，成